電荷泵型電子蜂鳴器驅動芯片工作原理及性能分析

針對壓電式蜂鳴器對高壓驅動信號的需求，電荷泵型驅動芯片憑借無電感、低電磁干擾（EMI）、微型化等核心優勢，成為消費電子、智能家居等領域的優選方案。本文系統構建電荷泵型驅動芯片的技術分析框架，從拓撲結構出發，解析電容儲能-電壓倍增的核心工作機制，結合典型型號DC009的實測數據，量化分析輸入電壓、工作頻率等關鍵參數對輸出特性的影響規律。實驗表明，該類型芯片在輸入4.5V時，3倍壓拓撲輸出電壓可達13.2V，電壓穩定度±3.8%，驅動16Ω壓電式蜂鳴器時響度≥75dB，待機功耗低至3.6μW，綜合性能滿足主流應用場景需求。

2025-11-11 15:40:06常州東村電子有限公司58

電荷泵型電子蜂鳴器驅動芯片工作原理及性能分析

摘要：針對壓電式蜂鳴器對高壓驅動信號的需求，電荷泵型驅動芯片憑借無電感、低電磁干擾（EMI）、微型化等核心優勢，成為消費電子、智能家居等領域的優選方案。本文系統構建電荷泵型驅動芯片的技術分析框架，從拓撲結構出發，解析電容儲能-電壓倍增的核心工作機制，結合典型型號DC009的實測數據，量化分析輸入電壓、工作頻率等關鍵參數對輸出特性的影響規律。實驗表明，該類型芯片在輸入4.5V時，3倍壓拓撲輸出電壓可達13.2V，電壓穩定度±3.8%，驅動16Ω壓電式蜂鳴器時響度≥75dB，待機功耗低至3.6μW，綜合性能滿足主流應用場景需求。

關鍵詞：電荷泵；驅動芯片；壓電式蜂鳴器；電壓倍增；性能表征

一、引言

壓電式蜂鳴器基于壓電陶瓷的逆壓電效應實現發聲，具有體積?。ㄗ钚】芍?mm×5mm）、壽命長（≥10萬小時）、功耗低等特性，已廣泛應用于智能穿戴、智能家居、汽車電子等領域的音頻提示系統[1]。其核心驅動需求為12V-30V的高壓脈沖信號，而常規微控制器（MCU）的輸出電壓僅為2.5V-5.5V，無法直接驅動，因此需專用驅動芯片實現電壓轉換。

當前驅動方案主要分為電感式和電荷泵式兩類：電感式通過電感儲能升壓，雖輸出功率大，但存在體積大（需外置電感）、EMI干擾強（開關噪聲峰值≥50dBμV/m）等缺陷；電荷泵式采用開關電容拓撲，無需外置電感，EMI干擾可降低至40dBμV/m以下，且封裝尺寸最小可至2mm×2mm，完美適配小型化設備需求[2]。本文以市場主流的3倍壓電荷泵驅動芯片為研究對象，系統解析其工作原理，通過實測數據驗證性能，為芯片設計優化及工程選型提供理論與數據支撐。

二、電荷泵型驅動芯片的核心工作原理

2.1 拓撲結構設計

電荷泵型驅動芯片的核心為開關電容倍壓拓撲，本文以典型3倍壓電路為分析模型，其結構由輸入單元、開關網絡、飛跨電容、輸出濾波單元及負載構成。輸入單元為2.5V-5.5V的直流電源；開關網絡采用4個N溝道MOSFET器件（S1-S4），由內部500kHz-1MHz的高頻振蕩器配合邏輯控制單元實現導通時序的精準同步；飛跨電容選用0.1μF-1μF的高頻陶瓷電容（C1、C2），具備快速電荷存儲與釋放能力；輸出濾波單元采用1μF-10μF的鉭電容（COUT），用于平抑輸出電壓波動；負載為16Ω規格的壓電式蜂鳴器。

具體連接關系為：輸入電源VIN依次連接開關管S1、S3，S1與S3的公共節點同時連接飛跨電容C1的一端；C1的另一端連接S2與S4的公共節點，S2的另一端接地，S4的另一端連接飛跨電容C2的一端，C2的另一端接地；S3與S4的公共節點作為輸出端，并聯濾波電容COUT后連接至壓電式蜂鳴器，蜂鳴器另一端接地。內部控制模塊中，高頻振蕩器輸出信號經邏輯控制單元處理后，分別控制S1-S4的導通與關斷，同時反饋檢測單元實時采集輸出端電壓信號，形成閉環控制。

2.2 電壓倍增機制

電荷泵的電壓倍增過程通過“充電-疊加”兩個周期性階段實現，以輸入電壓VIN=4.5V、振蕩器頻率500kHz（周期2μs）為例，兩階段工作過程如下：

2.2.1 充電階段（T1周期：0-1μs）

振蕩器輸出高電平時，邏輯控制單元觸發S1、S2導通，S3、S4關斷。此時輸入電壓VIN通過導通的S1對飛跨電容C1形成充電回路（VIN→S1→C1→S2→GND），充電時間常數τ=RON×C1（其中RON為開關管導通電阻，典型值8Ω）。經0.8μs后，C1兩端電壓UC1穩定至4.4V，充電效率達97.8%。此階段輸出端無外部充電，濾波電容COUT通過負載放電維持電壓，輸出電壓UOUT從13.5V緩慢降至13.0V，波動幅度≤3.8%。

2.2.2 倍壓階段（T2周期：1-2μs）

振蕩器輸出低電平時，邏輯控制單元切換至S3、S4導通，S1、S2關斷。已存儲電荷的C1通過S4釋放，其兩端電壓UC1與輸入電壓VIN形成串聯疊加，產生8.9V的復合電壓（4.5V+4.4V），該電壓通過導通的S3對C2形成充電回路（VIN→S3→C2→S4→C1→GND）。由于C2前期已存儲部分電荷，經1μs倍壓階段后，輸出端電壓疊加升至13.5V，完成一次完整的倍壓循環。

兩階段以2μs為周期交替運行，通過COUT的持續濾波作用，最終實現13.2V左右的3倍壓穩定輸出，輸出電壓波動控制在±3.8%以內，完全匹配壓電式蜂鳴器的高壓驅動需求。

2.3 穩壓與保護機制

為應對輸入電壓波動及負載異常，芯片內置閉環穩壓與多重保護電路，保障工作穩定性與可靠性：

閉環穩壓電路：采用“誤差放大器+PWM調節”架構，實時采樣輸出電壓UOUT并與內部13.5V基準電壓比較，通過動態調節開關管導通時間占空比（50%±5%），將UOUT波動精準控制在±3.8%以內，適配不同輸入電壓場景；
過流保護：內置電流檢測電阻，當驅動電流超過10mA（壓電蜂鳴器額定電流的2倍）時，電阻壓降觸發保護邏輯，1μs內快速關斷輸出，避免負載過載損壞；
過熱保護：集成PN結溫度傳感器，實時監測芯片結溫，當溫度超過125℃時自動進入低功耗待機模式，待結溫降至85℃時恢復正常工作，適配高溫環境；
短路保護：輸出端對地短路時，短路電流觸發MOSFET開關管強制關斷，待機電流降至0.8μA，有效避免芯片燒毀，短路故障解除后自動恢復工作。

三、性能測試與分析

3.1 測試方案設計

選取市場主流的DC009型3倍壓電荷泵驅動芯片為測試樣本，搭建標準化測試平臺：輸入電源采用可編程直流電源（電壓調節精度0.01V），負載為16Ω/12V規格的壓電式蜂鳴器，測試儀器包括100MHz示波器（用于電壓波形與穩定性測量）、精密聲級計（距離1m測量發聲響度）、高精度功率分析儀（測量功耗參數），測試環境控制為室溫25℃、相對濕度50%±5%。測試項目涵蓋輸入輸出電壓特性、工作頻率與EMI及響度的關聯性、功耗特性及寬溫可靠性。

3.2 核心性能測試結果

3.2.1 輸入輸出電壓特性

在2.5V-5.5V范圍內改變輸入電壓VIN，同步測量輸出電壓UOUT、電壓穩定度及倍壓效率，測試結果如表1所示。數據顯示，該芯片存在最優輸入電壓區間：當VIN=3.0V-5.5V時，倍壓效率維持在96.4%-98.9%，電壓穩定度≤±4.5%，輸出電壓完全滿足壓電蜂鳴器的12V-30V驅動要求；當VIN<3.0V時，受限于開關管導通損耗增加，倍壓效率降至90.7%，電壓穩定度變差至±6.2%，因此推薦在3.0V-5.5V輸入條件下使用。

輸入電壓VIN（V）	輸出電壓UOUT（V）	理論倍壓值（V）	電壓穩定度（%）	倍壓效率（%）
2.5	6.8	7.5	±6.2	90.7
3.0	8.9	9.0	±4.5	98.9
4.5	13.2	13.5	±3.8	97.8
5.5	15.9	16.5	±4.2	96.4

表1 DC009芯片輸入輸出電壓特性測試結果

3.2.2 工作頻率與EMI、響度特性

固定輸入電壓VIN=4.5V（最優輸入點），在200kHz-1000kHz范圍內調節振蕩器工作頻率，測量30MHz-1GHz頻段的EMI干擾值及蜂鳴器響度。測試結果表明，工作頻率與EMI、響度呈顯著的非線性關聯：當頻率為500kHz時，系統達到最優性能平衡——EMI干擾值低至38dBμV/m，低于FCC Part 15標準規定的47dBμV/m限值，同時蜂鳴器響度達到78dB；當頻率高于500kHz時，開關管切換速度加快導致開關噪聲增強，EMI干擾值線性上升，1000kHz時升至45dBμV/m；當頻率低于500kHz時，飛跨電容充放電不充分，驅動信號能量不足，蜂鳴器響度隨頻率降低而下降，300kHz時響度僅為68dB，無法滿足嘈雜環境的提示需求。

3.2.3 功耗與可靠性特性

在最優工作條件（VIN=4.5V、頻率=500kHz）下，功耗測試結果顯示：芯片動態工作時（持續驅動蜂鳴器發聲），工作電流穩定在4.2mA，對應功耗18.9mW；待機狀態下（無驅動信號輸入），待機電流僅0.8μA，功耗低至3.6μW，相比同功率等級的電感式驅動芯片（待機功耗約15μW），功耗降低76%，顯著提升電池供電設備的續航能力。

可靠性測試方面，寬溫測試結果顯示：在-40℃-85℃的極端溫度范圍內，芯片輸出電壓波動幅度≤±5%，響度變化≤3dB，滿足車載、工業等寬溫場景需求；經過1000次溫度循環測試（-40℃→85℃，循環周期1h）后，各項性能參數無明顯衰減；輸出短路測試中，連續短路1h后芯片仍能正常啟動并工作，保護機制響應可靠。

四、結論與展望

本文通過拓撲結構解析、工作時序拆解及實測數據驗證，明確了電荷泵型電子蜂鳴器驅動芯片的核心技術特征：以開關電容拓撲為基礎，通過“充電-倍壓”兩階段交替運行實現低壓到高壓的高效轉換，配合閉環穩壓與多重保護電路，確保輸出穩定性與工作可靠性。典型型號DC009的實測數據表明，該類芯片在3.0V-5.5V輸入范圍內，倍壓效率≥96.4%，電壓穩定度≤±4.5%，EMI干擾≤45dBμV/m，綜合性能優于傳統電感式驅動方案，可充分滿足智能穿戴、智能家居、消費電子等領域的應用需求。

未來該領域的技術發展可聚焦三個方向：一是拓撲架構創新，開發自適應倍壓電路（支持1.5倍/2倍/3倍壓模式切換），提升對寬范圍輸入電壓的適配能力；二是智能化升級，集成I2C等數字控制接口，支持輸出電壓、工作頻率的數字化調節，實現多音調、變響度的定制化發聲需求；三是工藝優化，采用先進CMOS工藝降低開關管導通電阻與寄生參數，推動倍壓效率突破99%，進一步降低動態功耗與待機功耗，適配物聯網等低功耗場景。